纖維補強的塑性材料的製作方法

2023-05-30 06:53:01 3

專利名稱：纖維補強的塑性材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及複合材料，特別涉及纖維補強的塑料以及纖維補強的塑性材料的製造。
背景技術：
纖維補強的塑料可被描述為多成分材料，其包含包埋於剛性基質中的補強纖維。 大多數用於工程應用的複合材料含有由玻璃、碳或芳族聚醯胺製成的纖維。該纖維還能由 玄武巖或其它天然材料製成。不同範圍的聚合物能用作纖維補強的塑性複合材料的基質，這些一般被分類為熱 固性樹脂如環氧樹脂、聚酯或熱塑性樹脂如聚醯胺。由纖維補強的塑料製成的產品用於輕型結構。該產品的實例是風輪機葉片。纖維材料的比剛度和比強度比基質材料的比剛度和比強度高得多。因此，要求最 高可能的補強纖維百分數，以獲得所得複合材料的最高可能的比剛度和最高可能的比強度。目前，能生產具有超過70體積％纖維材料的纖維補強的塑料。然而，應考慮到復 合材料的疲勞性能可能會由於纖維含量增加而變化。在玻璃纖維補強的塑料的情況下，實踐表明超過約56體積％ (其相應於75重 量％)的纖維百分數導致層壓體的疲勞性能降低。對於真空加固的樹脂注射情況尤其如 此。因此，需要用於製造具有高的比剛度和高的比強度同時保持或甚至提高材料疲勞 性能的纖維補強的塑性材料的技術。本領域已知在複合材料製造過程期間添加另外的層壓材料以達到更好的耐疲勞 性。不利地，這增加產品重量。如上所述，纖維補強的複合材料的耐疲勞性能會在更高的纖維百分數情況下劣 化。在纖維間缺乏基質材料導致未被基質材料負載的相鄰纖維在它們全部表面上的移動和 磨損。結果，局部裂紋可能穿過複合材料而擴展。因此，基質材料必須完全包封纖維並附著於所有纖維上，從而在基質與纖維材料 間傳遞力並將力分配在纖維間。然而，在纖維補強的塑性材料中，特別是在纖維彼此相切的情況下，經常存在基質 未附著於纖維的區域。力的傳遞在這些區域中受到阻礙。這可能導致複合材料的局部應力 梯度和更低的耐疲勞性。

發明內容
因此，本發明的目的在於改進纖維補強的材料的耐疲勞性。本發明的目的通過權利要求1的特徵得以實現。本發明的其它方面是從屬權利要 求的主題。
本發明涉及纖維補強的塑性材料，其包含基質材料和包埋於基質材料中的纖維。 根據本發明，纖維隔離物包埋於纖維之間，以防止纖維對纖維的直接接觸。通過在纖維間設置纖維隔離物，能將更大量的纖維裝入所得複合材料的容量中， 同時確保所有纖維在其全部表面上都被基質材料負載。纖維對纖維的接觸得以避免。結果，複合材料的耐疲勞性增加。以下將通過實施例結合附圖更詳細地描述本發明。附圖顯示優選的構造，且並不限制本發明的範圍。


圖1示出根據本發明實施方案的纖維補強的塑性材料的一部分的橫截面圖，圖2示出根據本發明另一實施方案的纖維補強的塑性材料的一部分的橫截面圖，圖3示出根據本發明再一實施方案的纖維補強的塑性材料的一部分的橫截面圖，圖4示出根據本發明再一實施方案的纖維補強的塑性材料的一部分的橫截面圖， 和圖5示出根據本發明再一實施方案的纖維補強的塑性材料的一部分的橫截面圖。
具體實施例方式根據圖1所示的本發明實施方案，纖維補強的塑性材料包含根據第一種纖維的第 一纖維1、根據第二種纖維的第二纖維2和基質材料3。纖維1、2包埋於基質材料3中。第一纖維1是主要的補強纖維。第二纖維2是具有比第一纖維1小的直徑的附加 纖維。第一和第二纖維1、2是圓柱狀的伸長纖維，優選玻璃纖維。基質材料3優選為熱 固性樹脂如環氧樹脂、聚酯、聚氨酯或甚至植物類樹脂。如圖1所示，在第一纖維1之間在纖維1彼此相切的區域中具有小的空隙。根據本發明的該實施方案，所述空隙填充有第二纖維2。引入具有不同直徑的補強 纖維的混合物。優選地，第二纖維2具有約等於第一纖維1直徑的八分之一至六分之一的直徑。例 如，具有3 μ m-4 μ m直徑的第二纖維2能填充具有約Mym直徑的第一纖維1之間的空隙。 此外，第二纖維2能包括直徑不同的纖維。在本發明的再一實施方案中，第二纖維由與第一纖維1不同的材料製成。第二纖 維2能例如由具有與第一纖維的撓性不同的撓性的材料製成。如圖1所示，第一纖維1和第二纖維2以允許最高可能裝填密度同時避免纖維磨 損的方式設置。通過用第二纖維2填充第一纖維1之間的空隙，裂紋擴展的趨勢降低。此外，第二纖維2起到第一纖維1的纖維隔離物的作用。由此，纖維對纖維接觸的 接觸表面減小。結果，最終複合材料的耐疲勞性增加。根據圖2所示的本發明另一實施方案，纖維補強的塑性材料包括纖維1和基質材 料3。纖維1包埋於基質材料3中。此外，顆粒6包埋於基質材料3中。纖維1是圓柱狀的伸長纖維，優選玻璃纖維。基質材料3優選為熱固性樹脂如環氧樹脂、聚酯、聚氨酯或甚至植物類樹脂。與纖維直徑相比為小顆粒的顆粒6起到纖維1的纖維隔離物的作用。顆粒6可為圓的、伸長的或其它形狀。優選地，該顆粒具有最高達纖維直徑十分之 一的長度或直徑。顆粒6還可包括具有一個或多個IOOnm級或更低的尺寸的納米顆粒。根據本發明的該實施方案，顆粒6能被攪拌並分散於然後用於製造補強的塑性材 料的液化基質材料3中。顆粒6填充纖維1之間的空隙。因此，所得複合材料的裂紋擴展的趨勢降低。此外，顆粒6使纖維1間的流路成為可能，並使得纖維補強的塑性材料製造過程期 間的樹脂傳遞增強。此外，纖維對纖維的直接接觸的接觸表面減小。結果，整體複合材料的 耐疲勞性提高。在圖3所示的本發明的再一實施方案中，纖維補強的塑性材料包括纖維1和基質 材料3。纖維1包埋於該基質材料3中，此外，它們裝備有保護套4。纖維1是圓柱狀的伸長纖維，優選玻璃纖維。基質材料3優選是熱固性樹脂如環 氧樹脂、聚酯、聚氨酯或甚至是植物類樹脂。保護套4包封各纖維1並起到纖維隔離物的作用。保護套4的厚度優選在纖維直 徑的至10%範圍內。套4由高孔隙材料製成，以便對於基質材料3是可滲透的。這使得基質材料3透 過套4並浸漬纖維表面。因此，確保了套4內部基質材料3至纖維1的完全附著。粘合基 質的層間剪切強度要求保持不受損。—般而言，纖維製造方法，例如玻璃纖維製造方法，包括擠出液體材料和之後用化 學溶液將細絲上漿。上漿工藝期間，一種塗料或底漆被施塗至細絲，用於保護細絲並確保與基質材料 的適當結合。在該初始上漿工藝之後，套4優選被施用於纖維1。因此，套4可例如作為溶液或 作為分散體施塗。或者，套4能被在纖維1的拉絲工藝期間共擠出並適配。因此，所用套材料確保了 基質材料3的適當結合。通過提供具有保護套4的纖維，更大量的纖維1能被填充至所得複合材料的容積 中，同時確保所有纖維1都在其全部表面上被基質材料3負載。纖維對纖維的接觸得以避免。結果，複合材料的耐疲勞性提高。在圖4所示的本發明再一實施方案中，纖維補強的塑性材料包括纖維1和基質材 料3。因此，顆粒7附著至纖維1的表面。具有與其附著的顆粒的纖維1包埋於基質材料3 中。纖維1是圓柱狀的伸長纖維，優選玻璃纖維。基質材料3優選是熱固性樹脂如環 氧樹脂、聚酯、聚氨酯或甚至植物類樹脂。顆粒7起到纖維隔離物的作用。它們可為圓的、伸長的或其它形狀。優選地，該顆 粒具有最高達至纖維直徑十分之一的長度或直徑。顆粒7還可包括具有一個或多個IOOnm 級或更低的尺寸的納米顆粒或納米纖維。根據本發明的該實施方案，顆粒7能附著至纖維1的表面。它們能例如粘結於其上。優選地，這在前述纖維1的上漿工藝期間進行。因此，該顆粒包含於被施塗於纖維表面 的上漿溶液中。或者，顆粒7能以氣溶膠的形式施用於纖維表面1上。附著於纖維表面的顆粒7使得基質材料3完全包圍並負載纖維1。纖維對纖維的 直接接觸得以避免。結果，複合材料的耐疲勞性提高。在圖5所示的本發明再一實施方案中，纖維補強的塑性材料包括纖維Ia和基質材 料3。纖維Ia設計有縱向凹槽5，並包埋於基質材料3中。纖維Ia是圓柱狀的伸長纖維，優選玻璃纖維。基質材料3優選為熱固性樹脂如環 氧樹脂、聚酯、聚氨酯或甚至植物類樹脂。根據本發明的該實施方案，縱向凹槽5設置於纖維Ia的表面上。優選地，該凹槽設置在纖維Ia周圍。它們能具有例如至多為纖維直徑十分之一的 深度和寬度。作為益處，開凹槽的纖維Ia使得基質材料3附著於擴展表面上。纖維對纖維接觸 的接觸表面減小，複合材料的耐疲勞性提高。在本發明另一實施方案中，使用具有提高的滲透和/或毛細特性的樹脂材料來確 保樹脂材料易於圍繞所有纖維流動並完全覆蓋所有纖維。當然能組合圖1至5所示的前述實施方案。作為該組合的實例，纖維1可包含保護套4，此外，第二纖維2能被引入至第一纖維 1之間。此外，所有第一和第二纖維都能具有保護套以避免纖維對纖維的接觸。實施方案組合的另一實例是具有纖維1、2混合物的纖維補強的塑性材料，所述纖 維1、2具有不同的直徑，其中隔離物顆粒7附著於纖維表面。作為實施方案可能組合的再一實例，開凹槽的纖維Ia能與包含顆粒6的基質材料 3組合使用。開凹槽的纖維Ia也能具有不同直徑。由這些實施例變得顯而易見的是，前述實施方案的其它組合是可行的。
權利要求
1.纖維補強的塑性材料，其包含基質材料C3)和包埋於基質材料C3)中的纖維(1)，其 中纖維隔離物(4、7)包埋於纖維(1)之間，以避免纖維對纖維的直接接觸。
2.根據權利要求1的塑性材料，其中所述纖維隔離物包括至少部分包封各纖維(1)的 保護套⑷。
3.根據權利要求2的塑性材料，其中保護套(4)由能被基質材料(3)滲透的多孔材料 製成。
4.根據權利要求2的塑性材料，其中保護套的厚度在纖維(1)直徑的至10% 之間。
5.根據權利要求2的塑性材料，其中保護套(4)適於在初始上漿工藝後作為溶液被施 塗於纖維⑴上。
6.根據權利要求2的塑性材料，其中保護套(4)適於在初始上漿工藝後作為分散體被 施塗於纖維(1)上。
7.根據權利要求2的塑性材料，其中保護套(4)適於在纖維(1)的拉絲工藝期間施加 並共擠出。
8.根據權利要求1的塑性材料，其中所述纖維隔離物包括能附著於纖維(1)表面的顆 粒⑵。
9.根據權利要求8的塑性材料，其中顆粒(7)的長度和/或直徑最高為纖維⑴直徑 的十分之一。
10.根據權利要求8的塑性材料，其中顆粒(7)包括納米顆粒。
11.根據權利要求8的塑性材料，其中顆粒(7)能在纖維(1)上漿工藝期間附著於纖維 (1)的表面。
12.根據權利要求8的塑性材料，其中顆粒(7)能以氣溶膠的形式施用於纖維(1)的表
13.根據權利要求1的塑性材料，其中基質材料C3)包括環氧樹脂、聚酯、聚氨酯或植物 類樹脂。
14.根據權利要求1的塑性材料，其中纖維材料(1)包括玻璃、碳、芳族聚醯胺或玄武山。
15.風輪機葉片，其由根據前述權利要求中任一項的纖維補強的塑性材料製成。
全文摘要
本發明涉及纖維補強的塑性材料，其包含基質材料3和包埋於基質材料3中的纖維1。根據本發明，纖維隔離物4、7包埋於纖維1之間，以避免直接的纖維對纖維接觸。
文檔編號C08K7/06GK102086297SQ201010572958
公開日2011年6月8日 申請日期2010年12月1日 優先權日2009年12月1日
發明者E·格羅夫-尼爾森, M·溫瑟-詹森 申請人:西門子公司